光電信號檢測第三章(二)

3.3.2

光電三極管的基本結(jié)構(gòu)光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic＝Ie＝（1＋β）Ip,β為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管的作用是完全相同的。發(fā)射極集電極基極發(fā)射極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結(jié)構(gòu)原理、工作原理和電氣圖形符號。光電三極管的工作原理工作過程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大。VCCVCC基本應(yīng)用電路達林頓光電三極管電路

為了提高光電三極管的頻率響應(yīng)、增益和減小體積。將光電二極管、三極管制作在一個硅片上構(gòu)成集成器件。光電三極管的主要特性：

光電三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。光譜特性入射光硅鍺λ/nm400080001200016000相對靈敏度/%10080604020

0硅的峰值波長為900nm，鍺的峰值波長為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。伏安特性

光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。光電三極管的主要特性：伏安特性I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。

光照特性光電三極管的主要特性：I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶體管的光照特性

光電三極管的溫度特性曲線反映的是光電三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。溫度特性光電三極管的主要特性：暗電流/mA1020305070T/oC25

0504060光電流/mA100

02003004008010203040506070T/oC光電三極管的溫度特性

光電三極管的頻率特性曲線如圖所示。光電三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。光電三極管的頻率特性頻率特性光電三極管的主要特性：RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%光電三極管的應(yīng)用電路光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)控制電路及邏輯電路。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V

當有光線照射于光電器件上時，使繼電器有足夠的電流而動作，這種電路稱為亮通光電控制電路，也叫明通控制電路。最簡單的亮通電路如圖所示。

1．亮通光電控制電路如果光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放，則稱它為暗通控制電路。2．暗通光電控制電路

另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級倒相器，也可完成暗通電路的作用。

要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來。

如要求路燈控制靈敏，可采用如圖電路。3、路燈、霓虹燈的自動控制電路防止閃電等短時干擾的路燈控制電路

印刷機紙張監(jiān)控器可以自動監(jiān)測每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報警訊響，停止印刷，待整理好紙張后，再開始工作。印刷機紙張監(jiān)控器

光控電焊眼罩汽車車燈全自動控制器

光電倍增管是建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射效應(yīng)和電子光學理論的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⑽⑷豕庑盘栟D(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增效應(yīng)的真空光電發(fā)射器件。3.3.3光電倍增管

Photo-Multipliertube（PMT）真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽極絲（Ni）抽真空

陰極表面可涂漬不同敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點：有微小暗電流（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。真空光電管光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電陰極陽極倍增極

陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場作用獲得較大能量打在倍增電極上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，經(jīng)過多極倍增的光電子到達陽極被收集而形成陽極電流，隨光信號的變化。在倍增極不變的條件下，陽極電流隨光信號變化。光電倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1個光子產(chǎn)生106~107個電子柵極，Grill陽極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；光電倍增管的特點

用于測量輻射光譜在狹窄波長范圍內(nèi)的輻射功率。用于分析儀器中，如光譜輻射儀。光電倍增管的應(yīng)用1.白熾光源

用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。3.4發(fā)光器件2.氣體放電光源定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。

低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/33.4.1發(fā)光二極管(Lightemittingdiode)由半導體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。半導體中，由于空穴和電子的擴散，在PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結(jié)上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導體光源，也稱作注入式場致發(fā)光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出發(fā)光二極管的工作原理有源區(qū)圓形金屬觸點SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū)

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

LED的光譜特性LED的發(fā)光譜決定其發(fā)光色，目前可實現(xiàn)各類顏色。LED具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時，發(fā)射波長紅移，約為：0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度發(fā)光二極管的光譜特性發(fā)光二極管LED的頻率響應(yīng)

發(fā)光二極管LED的P-I特性曲線

原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進行自發(fā)輻射而發(fā)光。4321050100150電流/mA輸出光功率/mW0℃25℃70℃LED驅(qū)動電路及伏安特性

UccRLUFIFRL為限流電阻：UF和IF為二極管參數(shù)例如：GaAs電流選用20mA，GaP電流選用10mA，即可獲得足夠亮度。1.01.52.02.5120100806040200閾值特性與材料有關(guān)：GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs約為1.5V；發(fā)紅光的GaP是1.8V，發(fā)綠光的GaP是2.0V，反向擊穿電壓一般在-5V以上。+5VLEDReRb2Rb1VinLED信號控制電路

LED的特點及應(yīng)用一、特點

1、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。

2、

LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。

3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能辨認。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴大。

4、LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。

5、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域二、應(yīng)用

1、指示燈

2、數(shù)字顯示用顯示器利用LED進行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框架LED芯片

3、平面顯示器

LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陣型等幾大類。

4、光源

LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。例如HBLED。梅曼和第一只激光器3.4.2激光器

2、按工作方式分類

連續(xù)式（功率可達104W）脈沖式（瞬時功率可達1017W/cm2

）激光器的種類：

固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne、CO2）半導體（如砷化鎵GaAs）自由電子激光器1、按工作物質(zhì)分類激光器的工作原理自由輻射、受激吸收和受激輻射——工作物質(zhì)——激勵能源——光學諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.要實現(xiàn)光放大

激光的形成過程

工作物質(zhì)

激勵、受激輻射自激振蕩增益

外界能量注入（泵浦）

光學諧振腔部分反射鏡全反射鏡光學諧振腔一、氣體激光器He-Ne氣體激光器He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,最強的三條:

0．6328ｍ、1．15m、3．39ｍ根據(jù)工作物質(zhì)分類：

紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，三能級；

Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06m，四能級；釹玻璃：激活離子：Nd，波長:1.06m，四能級；

二、固體激光器

1960年5月15日，加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激光，波長為694.3納米。紅寶石激光器燈泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7-10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50-800W。燈泵浦Nd:YAG激光器

固體激光器1kW的脈沖Nd:YAG激光器液體激光器三、染料激光器半導體激光器四、半導體激光器（LD，LaserDiode）半導體激光器是向半導體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。LD的工作原理和基本結(jié)構(gòu)(a)光強的角分布；(b)輻射光束典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。半導體激光光源特性短波長AlGaAs/GaAs半導體激光器的光功率特性五、激光器的基本特性1、單色性激光自然光波長能量激光中單色性最好的是氣體激光器產(chǎn)生的激光。He-Ne激光器產(chǎn)生的632.8nm譜線，線寬只有10-9nm。

光纜

普通光源中單色性最好的用來作為長度基準器的氪燈(Kr86)，其譜線寬度為4.7×10-3nm。激光的單色性比一般光要高出106～107倍以上.

自然光由波場范圍較寬的光構(gòu)成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。單色性決定物質(zhì)對激光能量的吸收和精細聚焦的可能性；CO2：10.6μmCO：5.4μmYAG：1.06μm準分子：0.24μm；

從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通過直徑為D的孔徑時，由于衍射會產(chǎn)生一定發(fā)散：2、方向性好HeNe氣體激光：3×10-4rad；

固體激光：10-2rad

半導體激光：5°-10°。激光的方向性帶來兩個結(jié)果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產(chǎn)生比太陽高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成面積很小但照度很大的光斑。

激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。3、高亮度

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細（發(fā)散特別?。β拭芏忍貏e大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。4、相干性好自然光由無數(shù)的原子與分子發(fā)射，產(chǎn)生波長各不相同的雜亂光，合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。相干長度只有幾個mm或幾十cm。激光是受激輻射，單色性、發(fā)散角小，在空間和時間上有很好的相干性。兩激光束合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。相干長度達到幾十公里。采用穩(wěn)頻技術(shù)，HeNe激光線寬可壓縮到10kHz，相干長度可達30km。全息照相相干計量、全息照相、全息存儲等就利用了激光相干性好的特點。3.5光電耦合器件光電科學系光電耦合器件的工作原理

光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，由于光耦兩側(cè)是電絕緣的，所以對地電位差干擾有很強的抑制能力，同時光耦對電磁干擾也有很強的抑制能力。光電耦合器由發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和受光器件（光敏三極管）封裝在一個組件內(nèi)構(gòu)成；當發(fā)光二極管流過電流IF時發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流IC。光耦合器件有透光型與反射型兩種。在透光型光耦合器件中，發(fā)光器件與受光器件面對面安放，在它們之間有一間隔，當物體通過這一間隔時，發(fā)射光被切斷。利用這一現(xiàn)象可以檢測出物體的有無。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設(shè)計比較簡單，檢測位置精度也高。反射型光耦合器件從發(fā)光器件來的光反射到物體上面由受光器件來檢測出，比起透光型來顯得體積小，把它放在物體的側(cè)面就能使用。光電耦合器件的特點具有電隔離的功能；信號的傳輸是單向性的，適用于模擬和數(shù)字信號傳輸；具有抗干擾和噪聲的能力，可以抑制尖脈沖及各種噪聲，發(fā)光器件為電流驅(qū)動器件?？衫斫鉃椋?、輸入阻抗低，分得噪聲電壓小，抑制輸入端的噪聲干擾；2、LED發(fā)光需要一定能量，因此可以抑制高電壓、低能量的干擾；3、采用光耦合，且密封安裝，抑制外界雜散光干擾；4、寄生電容小(0.5pF-2pF)，絕緣電阻大(105-107MΩ)，抑制反饋噪聲。響應(yīng)速度快；使用方便，結(jié)構(gòu)小巧，防水抗震，工作溫度范圍寬；即具有耦合特性又具有隔離特性。光電耦合器件的主要參數(shù)1、電流傳輸比βIc/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1ΔIFΔIFΔIFQIFO定義為在直流狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比。如圖中在Q點處電流傳輸比為：如果在小信號下，交流電流傳輸比用微小變量定義：β在飽和區(qū)和截止區(qū)都變小。β與IF的關(guān)系：由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比，所以β有如圖示的變化。43210

50100150

電流/mA輸出功率/mW發(fā)光二極管的P-I曲線β01020304050607012010080604020IF/mAIF與β的關(guān)系曲線2、最高工作頻率，f/MHz相對輸出1.00.7070fm1fm2fm3RL1>RL2>RL3

最高工作頻率取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。同時與負載電阻的阻值有關(guān)，阻值越大，最高工作頻率越低。光電耦合器件的應(yīng)用1、代替脈沖變壓器耦合信號，帶寬寬，失真小。2、代替繼電器，無斷電時的沖擊電流和觸點抖動。3、完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)換功能。4、用于計算機作為光電耦合接口器件，提高可靠性。5、飽和壓降低，代替三極管做為開關(guān)元件。6、在穩(wěn)壓電源中，作為過電流自動保護器件，簡單可靠。光電耦合器件光電耦合繼電器光電隔離器（傳感器）3.6光電位置敏感器件（PSD）1、一維光電位置敏感器件（PSD）的工作原理

依圖中所示，電流I0、I1、I2、入射光位置xA和電極間距2L之間有如下關(guān)系：P層i層0AxA②①③I1I2I0N層LL入射光3.7光熱輻射檢測器件1、熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點：溫度系數(shù)大、靈敏度高；電阻值大、引線電阻可忽略；體積小，熱響應(yīng)快，廉價；互換性差、測溫范圍窄；在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。半導體對光的吸收本征和雜質(zhì)吸收產(chǎn)生光生載子晶格吸收、自由電子吸收不產(chǎn)生光生載子光電導率變化，伴隨少量的熱能產(chǎn)生熱能產(chǎn)生，溫升造成電阻值變化光敏電阻熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻和金屬材料溫度特性比較熱敏電阻的電阻與溫度